變換爐操作安全性分析
作者：侯國
來源：中國石化股份有限公司湖北化肥分公司
評(píng)論： 更新日期：2015年06月03日
計(jì)算數(shù)據(jù)如下
? | 操作溫度 | 操作壓力 | 計(jì)算溫度 | Pc | Di | [σ]t | δe | φ | σt | δ | PW |
第一變換爐 | 450 | 3.68 | 475 | 3.9 | 3800 | 116 | 68 | 1 | 110.92 | 65 | 4.08 |
500 | 3.9 | 3800 | 88 | 68 | 1 | 110.92 | 86 | 3.09 |
525 | 3.9 | 3800 | 58 | 68 | 1 | 110.92 | 132 | 2.04 |
550 | 3.9 | 3800 | 37 | 68 | 1 | 110.92 | 211 | 1.30 |
第二變換爐 | 350~400 | 3.55 | 400 | 3.9 | 4000 | 110 | 76 | 1 | 104.58 | 72 | 4.10 |
425 | 3.9 | 4000 | 107 | 76 | 1 | 104.58 | 74 | 3.99 |
450 | 3.9 | 4000 | 104 | 76 | 1 | 104.58 | 76 | 3.88 |
475 | 3.9 | 4000 | 103 | 76 | 1 | 104.58 | 77 | 3.84 |
500 | 3.9 | 4000 | 88 | 76 | 1 | 104.58 | 91 | 3.28 |
三變下段 | 232 | 3.45 | 255 | 3.9 | 4000 | 128.57 | 68 | 1 | 116.66 | 62 | 4.30 |
270 | 3.9 | 4000 | 126.22 | 68 | 1 | 116.66 | 63 | 4.22 |
280 | 3.9 | 4000 | 124.66 | 68 | 1 | 116.66 | 64 | 4.17 |
三變上段 | 267 | 3.45 | 290 | 3.9 | 4000 | 123.18 | 72 | 1 | 110.28 | 64 | 4.36 |
350 | 3.9 | 4000 | 114.78 | 72 | 1 | 110.28 | 69 | 4.06 |
400 | 3.9 | 4000 | 108.94 | 72 | 1 | 110.28 | 73 | 3.85 |
由計(jì)算數(shù)據(jù)可知：
第一變換爐在設(shè)計(jì)溫度和設(shè)計(jì)壓力下工作，筒體的計(jì)算厚度為65mm，GB150-1998上沒有列出304L復(fù)層材料在450℃及以上溫度下的許用應(yīng)力數(shù)據(jù)，在此復(fù)層材料只考慮耐腐蝕，不列入強(qiáng)度計(jì)算，設(shè)計(jì)者選取的有效厚度為68mm，受壓圓筒的計(jì)算應(yīng)力為σt=110.92Mpa，[σ]t=116Mpa，可見強(qiáng)度設(shè)計(jì)裕量很小。如果由于操作原因?qū)е略O(shè)備溫度升高，假定操作溫度升高至500℃，按設(shè)計(jì)壓力計(jì)算，筒體計(jì)算厚度為86mm，大于設(shè)計(jì)者選取的有效厚度68mm，計(jì)算應(yīng)力110.92Mpa，大于該溫度下材料的許用應(yīng)力88Mpa，按操作壓力計(jì)算，筒體計(jì)算厚度為81mm，大于設(shè)計(jì)者選取的有效厚度68mm，計(jì)算應(yīng)力104.66Mpa大于該溫度下材料的許用應(yīng)力88Mpa，由此可見操作溫度是設(shè)備安全的敏感性因素，為確保第一變換爐的設(shè)備安全，操作時(shí)必須嚴(yán)格控制操作溫度，確保設(shè)備在475℃以下操作，以保證設(shè)備安全。
第二變換爐在設(shè)計(jì)溫度和設(shè)計(jì)壓力下工作，筒體的計(jì)算厚度為72mm，GB150-1998上沒有列出304L復(fù)層材料在450℃及以上溫度下的許用應(yīng)力數(shù)據(jù)，在此復(fù)層材料只考慮耐腐蝕，不列入強(qiáng)度計(jì)算，設(shè)計(jì)者選取的有效厚度為76mm，受壓圓筒的計(jì)算應(yīng)力為σt=114.58Mpa，[σ]t=110Mpa，設(shè)備是安全的。如果由于操作原因?qū)е略O(shè)備溫度升高，假定操作溫度升高至450℃，按設(shè)計(jì)壓力計(jì)算，筒體計(jì)算厚度為76mm，等于設(shè)計(jì)者選取的有效厚度76mm，計(jì)算應(yīng)力104.58Mpa，略大于該溫度下材料的許用應(yīng)力104Mpa，短時(shí)間內(nèi)操作，設(shè)備安全。如果操作溫度達(dá)到475℃，按設(shè)計(jì)壓力計(jì)算，筒體計(jì)算厚度為77mm，大于設(shè)計(jì)者選取的有效厚度76mm，計(jì)算應(yīng)力104.58Mpa，大于該溫度下材料的許用應(yīng)力103Mpa，按操作壓力計(jì)算，筒體計(jì)算厚度為70mm，小于設(shè)計(jì)者選取的有效厚度76mm，計(jì)算應(yīng)力95.20Mpa小于該溫度下材料的許用應(yīng)力103Mpa，如果操作壓力穩(wěn)定，在短時(shí)間內(nèi)操作，設(shè)備也是安全的。當(dāng)操作溫度升高至500℃時(shí)，按設(shè)計(jì)壓力計(jì)算，筒體計(jì)算厚度為91mm，大于設(shè)計(jì)者選取的有效厚度76mm，計(jì)算應(yīng)力104.58Mpa，大于該溫度下材料的許用應(yīng)力88Mpa，按操作壓力計(jì)算，筒體計(jì)算厚度為82mm，大于設(shè)計(jì)者選取的有效厚度76mm，計(jì)算應(yīng)力95.20Mpa大于該溫度下材料的許用應(yīng)力88Mpa，設(shè)備操作不安全。按操作壓力計(jì)算，根據(jù)GB150-1998表4-1的數(shù)據(jù)用內(nèi)插法求得設(shè)備安全操作的極限溫度為487℃。因此對(duì)第二變換爐設(shè)備有一定的裕量，在450℃以下工作是安全的，在操作壓力下工作，安全操作的溫度上限為487℃。
第三變換爐，在設(shè)計(jì)壓力下，下段工作的溫度上限為350℃，上段工作的溫度上限為400℃，在操作壓力下，下段工作的溫度上限為475℃，上段工作的溫度上限為487℃，與第一、第二變換爐比較，第三變換爐的操作彈性要大一些。
3、變換爐腐蝕分析
表二的數(shù)據(jù)說明在變換爐中主要有以下兩種腐蝕形態(tài)：
3.1 高溫硫化腐蝕。高溫狀態(tài)下，硫化氫有氧化作用，在金屬表面形成硫化膜，硫化膜結(jié)構(gòu)疏松易碎，且熔點(diǎn)較低，對(duì)進(jìn)一步硫化反應(yīng)的阻礙作用很小，從而使金屬機(jī)械性能受到損害。資料顯示1，在400~500℃溫度范圍，使用超低碳00Cr19Ni10不銹鋼可以防止硫化腐蝕。
3.2 氫腐蝕。在高溫變換爐工況(高溫、中壓、臨氫)條件下，氫原子與鋼中的碳原化物子發(fā)生以下反應(yīng)
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反應(yīng)生成的甲烷氣體在局部產(chǎn)生高壓，致使鋼表面發(fā)生鼓泡或開裂，并且表面脫碳，機(jī)械性能降低，國內(nèi)同類型裝置中，關(guān)于變換爐的氫腐蝕已有相關(guān)報(bào)道2。
4、操作建議
變換反應(yīng)具有放熱、在氣相狀態(tài)完成、反應(yīng)前后體積不變的特點(diǎn)，放熱會(huì)導(dǎo)致氣體溫度升高，按照氣體狀態(tài)方程 =常數(shù)可知，在體積不變的情況下，溫度升高，壓力必然會(huì)升高，結(jié)合強(qiáng)度核算結(jié)果，提出如下建議：
4.1、通過控制蒸汽消耗量、控制水碳比等量化指標(biāo)控制好反應(yīng)速度，嚴(yán)格防止設(shè)備超溫、超壓，下面列表說明三臺(tái)變換爐的操作溫度上限。
表三 三臺(tái)變換爐操作溫度上限數(shù)據(jù)
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? | 第一變換爐 | 第二變換爐 | 第三變換爐上段 | 第三變換爐下段 |
設(shè)計(jì)壓力下 | 475℃ | 450℃ | 400℃ | 350℃ |
操作壓力下 | 475℃ | 487℃ | 487℃ | 475℃ |
4.2、停車過程中，卸壓、降溫要緩慢平穩(wěn)，防止出現(xiàn)氫鼓泡。
4.3、停車以后，應(yīng)在短時(shí)間內(nèi)用高溫惰性氣體置換吹掃，同時(shí)加強(qiáng)對(duì)設(shè)備的保溫護(hù)理，防止出現(xiàn)酸性氣體露點(diǎn)腐蝕。
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參考文獻(xiàn)
1、左景伊 左禹 腐蝕數(shù)據(jù)與選材手冊(cè) 北京 化學(xué)工業(yè)出版社 1995
2、周達(dá)理 陳飛鵬 高溫變換爐氫腐蝕原因分析及處理 大氮肥 第26卷第4期
